Астрофизика
| Часть серии о |
| Физика |
|---|
 |
|
Астрофизика — наука, использующая методы и принципы физики и химии при изучении астрономических объектов и явлений. [1] [2] Как сказал один из основателей этой дисциплины Джеймс Килер , астрофизика «стремится выяснить природу небесных тел, а не их положение или движение в пространстве – что они собой представляют, а не то, где они находятся». [3] Среди изучаемых предметов — Солнце ( физика Солнца ), другие звёзды , галактики , внесолнечные планеты , межзвёздная среда и космический микроволновый фон . [4] [5] Излучения этих объектов исследуются во всех частях электромагнитного спектра , а изучаемые свойства включают светимость , плотность , температуру и химический состав. Поскольку астрофизика — очень широкий предмет, астрофизики применяют концепции и методы из многих дисциплин физики, включая классическую механику , электромагнетизм , статистическую механику , термодинамику , квантовую механику , теорию относительности , ядра и физику элементарных частиц , а также атомную и молекулярную физику .
На практике современные астрономические исследования часто включают значительный объем работы в области теоретической и наблюдательной физики. Некоторые области исследований астрофизиков включают попытки определить свойства темной материи , темной энергии , черных дыр и других небесных тел ; а также происхождение и конечная судьба вселенной . [4] Темы, также изучаемые астрофизиками-теоретиками, включают формирование и эволюцию Солнечной системы ; звездная динамика и эволюция ; формирование и эволюция галактик ; магнитогидродинамика ; крупномасштабная структура во материи Вселенной; происхождение космических лучей ; общая теория относительности , специальная теория относительности , квантовая и физическая космология , включая струнную космологию и физику астрочастиц .
История [ править ]
Астрономия — древняя наука, давно отделившаяся от изучения физики Земли. В аристотелевском мировоззрении тела на небе представлялись неизменными сферами , единственным движением которых было равномерное движение по кругу, тогда как земной мир был царством, которое подвергалось росту и распаду и в котором естественное движение было прямолинейным и заканчивалось, когда движущийся объект достиг своей цели . Следовательно, считалось, что небесная область состоит из материи, принципиально отличной от той, что находится в земной сфере; либо Огонь , как утверждает Платон , либо Эфир, как утверждает Аристотель . [6] [7] В 17 веке натурфилософы, такие как Галилей , [8] Декарт , [9] и Ньютон [10] стали утверждать, что небесные и земные области состоят из одного и того же материала и подчиняются одним и тем же законам природы . [11] Их проблема заключалась в том, что еще не были изобретены инструменты, с помощью которых можно было бы доказать эти утверждения. [12]
На протяжении большей части девятнадцатого века астрономические исследования были сосредоточены на рутинной работе по измерению положения и вычислению движений астрономических объектов. [13] [14] Новая астрономия, которая вскоре будет называться астрофизикой, начала возникать, когда Уильям Хайд Волластон и Йозеф фон Фраунгофер независимо друг от друга обнаружили, что при разложении света Солнца множество темных линий наблюдалось (областей, где света было меньше или совсем не было). в спектре . [15] К 1860 году физик Густав Кирхгоф и химик Роберт Бунзен продемонстрировали, что темные линии в солнечном спектре соответствуют ярким линиям в спектрах известных газов, причем определенные линии соответствуют уникальным химическим элементам . [16] Кирхгоф пришел к выводу, что темные линии в солнечном спектре вызваны поглощением химических элементов в солнечной атмосфере. [17] Таким образом было доказано, что химические элементы, обнаруженные на Солнце и звездах, обнаружены и на Земле.
Среди тех, кто расширил изучение солнечных и звездных спектров, был Норман Локьер , который в 1868 году обнаружил лучистые, а также темные линии в солнечных спектрах. Работая с химиком Эдвардом Франклендом над исследованием спектров элементов при различных температурах и давлениях, он не смог связать желтую линию в солнечном спектре ни с одним известным элементом. Таким образом, он утверждал, что линия представляет собой новый элемент, который был назван гелием , в честь греческого Гелиоса , олицетворяющего Солнце. [18] [19]
В 1885 году Эдвард К. Пикеринг предпринял амбициозную программу звездной спектральной классификации в обсерватории Гарвардского колледжа , в рамках которой группа женщин-компьютеров , в частности Уильямина Флеминг , Антония Мори и Энни Джамп Кэннон , классифицировала спектры, записанные на фотографических пластинках. К 1890 году был составлен каталог из более чем 10 000 звезд, сгруппировавший их по тринадцати спектральным классам. Следуя замыслу Пикеринга, к 1924 году Кэннон расширил каталог до девяти томов и более четверти миллиона звезд, разработав Гарвардскую классификационную схему , которая была принята для использования во всем мире в 1922 году. [20]
В 1895 году Джордж Эллери Хейл и Джеймс Э. Килер вместе с группой из десяти помощников редактора из Европы и США, [21] основал «Астрофизический журнал: Международное обозрение спектроскопии и астрономической физики» . [22] Предполагалось, что журнал заполнит пробел между журналами по астрономии и физике, предоставив место для публикации статей об астрономическом применении спектроскопа; на лабораторных исследованиях, тесно связанных с астрономической физикой, включая определение длин волн металлических и газовых спектров и эксперименты по излучению и поглощению; о теориях Солнца, Луны, планет, комет, метеоров и туманностей; и по приборам для телескопов и лабораторий. [21]
Примерно в 1920 году, после открытия диаграммы Герцшпрунга-Рассела, которая до сих пор используется в качестве основы для классификации звезд и их эволюции, Артур Эддингтон предвосхитил открытие и механизм процессов ядерного синтеза в звездах в своей статье «Внутреннее строение звезд» . [23] [24] В то время источник звездной энергии был полной загадкой; Эддингтон правильно предположил, что источником был синтез водорода в гелий, высвобождающий огромную энергию согласно уравнению Эйнштейна E = mc. 2 . Это было особенно примечательное событие, поскольку в то время еще не были открыты термоядерная энергия и термоядерная энергия, и даже тот факт, что звезды в основном состоят из водорода (см. Металличность ). [25]
В 1925 году Сесилия Хелена Пейн (позже Сесилия Пейн-Гапошкин ) написала влиятельную докторскую диссертацию в Рэдклифф-колледже , в которой она применила теорию ионизации Саха к звездным атмосферам, чтобы связать спектральные классы с температурой звезд. [26] Что наиболее важно, она обнаружила, что водород и гелий являются основными компонентами звезд, а не составом Земли. Несмотря на предложение Эддингтона, открытие было настолько неожиданным, что читатели ее диссертации (включая Рассела ) убедили ее изменить вывод перед публикацией. Однако более поздние исследования подтвердили ее открытие. [27] [28]
К концу 20-го века исследования астрономических спектров расширились и охватили длины волн, от радиоволн до оптических, рентгеновских и гамма-волн. [29] В XXI веке оно расширилось и включило наблюдения, основанные на гравитационных волнах .
астрофизика Наблюдательная
Наблюдательная астрономия — это раздел астрономической науки, который занимается записью и интерпретацией данных, в отличие от теоретической астрофизики , которая в основном занимается выяснением измеримых значений физических моделей . Это практика наблюдения небесных объектов с помощью телескопов и других астрономических приборов.
Большинство астрофизических наблюдений проводится с использованием электромагнитного спектра .
- Радиоастрономия изучает излучение с длиной волны более нескольких миллиметров. Примером области исследования являются радиоволны , обычно излучаемые холодными объектами, такими как облака межзвездного газа и пыли; космическое микроволновое фоновое излучение, представляющее собой красносмещенный свет Большого взрыва ; пульсары , которые впервые были обнаружены на микроволновых частотах. Для изучения этих волн необходимы очень большие радиотелескопы .
- Инфракрасная астрономия изучает излучение с длиной волны, которая слишком длинна, чтобы ее можно было увидеть невооруженным глазом, но короче, чем радиоволны. Инфракрасные наблюдения обычно проводятся с помощью телескопов, подобных привычным оптическим телескопам. Объекты холоднее звезд (например, планеты) обычно изучаются на инфракрасных частотах.
- Оптическая астрономия была самым ранним видом астрономии. телескопы в паре с устройством с зарядовой связью или спектроскопами Наиболее распространенными инструментами являются Земли . Атмосфера несколько мешает оптическим наблюдениям, поэтому адаптивную оптику и космические телескопы для получения максимально возможного качества изображения используют . В этом диапазоне длин волн звезды хорошо видны, и можно наблюдать множество химических спектров для изучения химического состава звезд, галактик и туманностей .
- Ультрафиолетовая , рентгеновская и гамма-астрономия изучает очень энергичные процессы, такие как двойные пульсары , черные дыры , магнетары и многие другие. Эти виды излучения плохо проникают в атмосферу Земли. Для наблюдения этой части электромагнитного спектра используются два метода: космические телескопы и наземные воздушные черенковские телескопы (IACT). Примерами обсерваторий первого типа являются RXTE , рентгеновская обсерватория Чандра и гамма-обсерватория Комптона . Примерами IACT являются стереоскопическая система высоких энергий (HESS) и телескоп MAGIC .
Помимо электромагнитного излучения, с Земли можно наблюдать лишь немногие вещи, исходящие с больших расстояний. Было построено несколько обсерваторий гравитационных волн , но гравитационные волны чрезвычайно трудно обнаружить. нейтринные Построены также обсерватории, прежде всего для изучения Солнца. Космические лучи, состоящие из частиц очень высоких энергий, можно наблюдать, попадая в атмосферу Земли.
Наблюдения также могут различаться по временному масштабу. Большинство оптических наблюдений занимают минуты или часы, поэтому явления, которые меняются быстрее, не могут быть легко обнаружены. Однако по некоторым объектам доступны исторические данные, охватывающие столетия или тысячелетия . С другой стороны, радионаблюдения могут рассматривать события в миллисекундном масштабе времени ( миллисекундные пульсары ) или объединять данные за годы ( исследования замедления пульсаров ). Информация, полученная в этих разных временных масштабах, сильно различается.
Изучение Солнца занимает особое место в наблюдательной астрофизике. Из-за огромного расстояния до всех других звезд Солнце можно наблюдать с такой детализацией, которая не имеет аналогов ни у одной другой звезды. Понимание Солнца служит руководством к пониманию других звезд.
Тема изменения звезд, или звездная эволюция, часто моделируется путем размещения разновидностей типов звезд в соответствующих положениях на диаграмме Герцшпрунга-Рассела , которую можно рассматривать как представление состояния звездного объекта от рождения до разрушения.
астрофизика Теоретическая
Астрофизики-теоретики используют широкий спектр инструментов, включая аналитические модели (например, политропы для аппроксимации поведения звезды) и вычислительное численное моделирование . У каждого есть некоторые преимущества. Аналитические модели процесса обычно лучше дают представление о сути происходящего. Численные модели могут выявить существование явлений и эффектов, которые иначе невозможно было бы увидеть. [30] [31]
Теоретики астрофизики стремятся создать теоретические модели и выяснить последствия этих моделей для наблюдений. Это помогает наблюдателям искать данные, которые могут опровергнуть модель или помочь в выборе между несколькими альтернативными или противоречивыми моделями.
Теоретики также пытаются создавать или модифицировать модели с учетом новых данных. В случае несоответствия общая тенденция состоит в том, чтобы попытаться внести минимальные изменения в модель, чтобы она соответствовала данным. В некоторых случаях большой объем противоречивых данных с течением времени может привести к полному отказу от модели.
Темы, изучаемые астрофизиками-теоретиками, включают звездную динамику и эволюцию; формирование и эволюция галактик; магнитогидродинамика; крупномасштабная структура материи во Вселенной; происхождение космических лучей; общая теория относительности и физическая космология, включая струнную космологию и физику астрочастиц. Релятивистская астрофизика служит инструментом для измерения свойств крупномасштабных структур, для которых гравитация играет значительную роль в исследуемых физических явлениях, а также основой для )физики черных дыр ( астро и изучения гравитационных волн .
Некоторые широко принятые и изученные теории и модели в астрофизике, которые теперь включены в модель Lambda-CDM , — это Большой взрыв , космическая инфляция , темная материя, темная энергия и фундаментальные теории физики.
Популяризация [ править ]
Корни астрофизики можно найти в возникновении в семнадцатом веке единой физики, в которой одни и те же законы применялись к небесному и земному царству. [11] Были ученые, обладающие квалификацией как в физике, так и в астрономии, которые заложили прочный фундамент современной науки астрофизики. В наше время студентов продолжает привлекать астрофизика благодаря ее популяризации Королевским астрономическим обществом и известными педагогами, такими как выдающиеся профессора Лоуренс Краусс , Субраманьян Чандрасекхар , Стивен Хокинг , Хьюберт Ривз , Карл Саган и Патрик Мур . Усилия ранних, поздних и нынешних ученых продолжают привлекать молодых людей к изучению истории и науки астрофизики. [32] [33] [34] Телевизионный ситком « Теория большого взрыва» популяризировал область астрофизики среди широкой публики, и в нем приняли участие такие известные ученые, как Стивен Хокинг и Нил де Грасс Тайсон .
См. также [ править ]
- Астрохимия - Исследование молекул во Вселенной и их реакций.
- Астрономические обсерватории
- Астрономическая спектроскопия - Изучение астрономии с использованием спектроскопии для измерения спектра электромагнитного излучения.
- Астрофизика элементарных частиц - Раздел физики элементарных частиц.
- Гравитационно-волновая астрономия - раздел астрономии, использующий гравитационные волны.
- Диаграмма Герцшпрунга – Рассела - диаграмма рассеяния звезд, показывающая связь светимости со звездной классификацией.
- Астрономия высоких энергий - исследование астрономических объектов, испускающих электромагнитное излучение высокоэнергетических длин волн.
- Важные публикации по астрофизике
- Список астрономов - (включая астрофизиков)
- Нейтринная астрономия – Наблюдение звездных частиц малой массы
- Хронология гравитационной физики и теории относительности
- Хронология знаний о галактиках, скоплениях галактик и крупномасштабной структуре
- Хронология белых карликов, нейтронных звезд и сверхновых - хронологический список развития знаний и записей
Ссылки [ править ]
- ^ Маоз, Дэн (2016). Коротко об астрофизике . Издательство Принстонского университета. п. 272. ИСБН 978-1400881178 .
- ^ «астрофизика» . Мерриам-Вебстер, Инкорпорейтед. Архивировано из оригинала 10 июня 2011 года . Проверено 22 мая 2011 г.
- ^ Килер, Джеймс Э. (ноябрь 1897 г.), «Важность астрофизических исследований и связь астрофизики с другими физическими науками», The Astrophysical Journal , 6 (4): 271–288, Bibcode : 1897ApJ.....6 ..271K , doi : 10.1086/140401 , PMID 17796068
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Приоритетные направления – наука НАСА» . НАСА.gov .
- ^ «астрономия» . Британская энциклопедия . 29 мая 2023 г.
- ^ Ллойд, Германия (1968). Аристотель: рост и структура его мысли . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 134–135 . ISBN 978-0-521-09456-6 .
- ^ Корнфорд, Фрэнсис Макдональд (ок. 1957) [1937]. Космология Платона: переведенный «Тимей» Платона с постоянными комментариями . Индианаполис: Bobbs Merrill Co., стр. 118.
- ^ Галилей, Галилей (1989), Ван Хелден, Альберт (редактор), Sidereus Nuncius или The Sidereal Messenger , Чикаго: University of Chicago Press, стр. 107–114. 21, 47, ISBN 978-0-226-27903-9
- ^ Эдвард Словик (2013) [2005]. «Физика Декарта» . Стэнфордская энциклопедия философии . Проверено 18 июля 2015 г.
- ^ Вестфолл, Ричард С. (1983), Никогда не отдыхайте: биография Исаака Ньютона , Кембридж: Издательство Кембриджского университета (опубликовано в 1980 г.), стр. 731–732 , ISBN 978-0-521-27435-7
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Бертт, Эдвин Артур (2003) [впервые опубликовано в 1924 г.], Метафизические основы современной науки (второе исправленное издание), Минеола, Нью-Йорк: Dover Publications, стр. 30, 41, 241–2, ISBN 978-0-486-42551-1
- ^ Ладислав Квас (2013). «Галилей, Декарт и Ньютон – основатели языка физики» (PDF) . Институт философии Академии наук Чехии . Проверено 18 июля 2015 г.
{{cite journal}}: Для цитирования журнала требуется|journal=( помощь ) - ^ Кейс, Стивен (2015), « Ориентиры Вселенной»: Джон Гершель на фоне позиционной астрономии», Annals of Science , 72 (4): 417–434, Bibcode : 2015AnSci..72..417C , doi : 10.1080/00033790.2015.1034588 , PMID 26221834 , S2CID 205397708. Подавляющее большинство астрономов ,
работавших в начале девятнадцатого века, не интересовались звездами как физическими объектами. Звезды не были телами с физическими свойствами, которые нужно было исследовать, они рассматривались как маркеры, измеряемые с целью создания точного, подробного и точного фона, на котором можно было нанести на карту движение Солнца, Луны и планет, в первую очередь для наземных приложений.
- ^ Доннелли, Кевин (сентябрь 2014 г.), «О скуке науки: позиционная астрономия в девятнадцатом веке» , The British Journal for the History of Science , 47 (3): 479–503, doi : 10.1017/S0007087413000915 , S2CID 146382057
- ^ Хирншоу, Дж. Б. (1986). Анализ звездного света . Кембридж: Издательство Кембриджского университета. стр. 23–29. ISBN 978-0-521-39916-6 .
- ^ Кирхгоф, Густав (1860), «О линиях Фраунгофера» , Annals of Physics , 185 (1): 148–150, Бибкод : 1860AnP...185..148K , doi : 10.1002/andp.18601850115
- ^ Кирхгоф, Густав (1860), «О связи между излучательной способностью и способностью поглощения тел тепла и света» , Анналы физики , 185 (2): 275–301, Бибкод : 1860АнП...185..275К , дои : 10.1002/andp.18601850205
- ^ Корти, Ал. (1921), «Сэр Норман Локьер, 1836–1920», Астрофизический журнал , 53 : 233–248, Бибкод : 1921ApJ....53..233C , doi : 10.1086/142602
- ^ Дженсен, Уильям Б. (2004), «Почему гелий заканчивается на «-ий» » (PDF) , Journal of Chemical Education , 81 (7): 944–945, Бибкод : 2004JChEd..81..944J , doi : 10.1021 /ed081p944
- ^ Хетерингтон, Норрис С.; Маккрей, В. Патрик , Уирт, Спенсер Р. (редактор), Спектроскопия и рождение астрофизики , Американский институт физики, Центр истории физики, заархивировано из оригинала 7 сентября 2015 г. , получено 19 июля 2015 г.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Хейл, Джордж Эллери (1895), «Астрофизический журнал», Астрофизический журнал , 1 (1): 80–84, Бибкод : 1895ApJ.....1...80H , doi : 10.1086/140011
- ^ Астрофизический журнал . 1 (1).
- ^ Эддингтон, А.С. (октябрь 1920 г.), «Внутреннее строение звезд» , The Scientific Monthly , 11 (4): 297–303, Бибкод : 1920Sci....52..233E , doi : 10.1126/science.52.1341. 233 , JSTOR 6491 , PMID 17747682
- ^ Эддингтон, А.С. (1916). «О лучистом равновесии звезд» . Ежемесячные уведомления Королевского астрономического общества . 77 : 16–35. Бибкод : 1916MNRAS..77...16E . дои : 10.1093/mnras/77.1.16 .
- ^ Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (2013). Маккракен, Гарри; Стотт, Питер (ред.). Фьюжн (Второе изд.). Бостон: Академическая пресса. п. 13. дои : 10.1016/b978-0-12-384656-3.00002-7 . ISBN 978-0-12-384656-3 .
Эддингтон понял, что произойдет потеря массы, если четыре атома водорода объединятся в один атом гелия. Эквивалентность массы и энергии Эйнштейна привела непосредственно к предположению, что это мог быть тот долгожданный процесс, который производит энергию в звездах! Это была вдохновенная догадка, тем более примечательная, что строение ядра и механизмы этих реакций до конца не были изучены.
- ^ Пейн, CH (1925), Звездные атмосферы; Вклад в наблюдательное исследование высокой температуры в обращающихся слоях звезд (докторская диссертация), Кембридж, Массачусетс: Колледж Рэдклиффа , Бибкод : 1925PhDT.........1P
- ^ Харамунданис, Кэтрин (2007), «Пейн-Гапошкин [Пейн], Сесилия Хелена» , в «Хоккее», Томас; Тримбл, Вирджиния ; Уильямс, Томас Р. (ред.), Биографическая энциклопедия астрономов , Нью-Йорк: Springer, стр. 876–878, ISBN 978-0-387-30400-7 , получено 19 июля 2015 г.
- ^ Стивен Сотер и Нил Деграсс Тайсон (2000). «Сесилия Пейн и состав звезд» . Американский музей естественной истории .
- ^ Бирманн, Питер Л.; Фальке, Хейно (1998), «Границы астрофизики: Краткое содержание семинара», в Панвини, Роберт С.; Вейлер, Томас Дж. (ред.), «Фундаментальные частицы и взаимодействия: границы современной физики», серия международных лекций и семинаров. Материалы конференции AIP , том. 423, Американский институт физики, стр. 236–248, arXiv : astro-ph/9711066 , Bibcode : 1998AIPC..423..236B , doi : 10.1063/1.55085 , ISBN 1-56396-725-1
- ^ Рот, Х. (1932), «Медленно сжимающаяся или расширяющаяся жидкая сфера и ее стабильность», Physical Review , 39 (3): 525–529, Bibcode : 1932PhRv...39..525R , doi : 10.1103/PhysRev. 39,525
- ^ Эддингтон, AS (1988) [1926], «Внутренняя конституция звезд» , Science , 52 (1341), Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета: 233–240, Бибкод : 1920Sci....52..233E , doi : 10.1126/наука.52.1341.233 , ISBN 978-0-521-33708-3 , PMID 17747682
- ^ Д. Марк Мэнли (2012). «Знаменитые астрономы и астрофизики» . Кентский государственный университет . Проверено 17 июля 2015 г.
- ^ Команда science.ca (2015). «Хьюберт Ривз – астрономия, астрофизика и космическая наука» . Исследовательское общество GCS . Проверено 17 июля 2015 г.
- ^ «Нил Деграсс Тайсон» . Планетарий Хейдена . 2015 . Проверено 17 июля 2015 г.
Дальнейшее чтение [ править ]
- Лонгэр, Малкольм С. (2006), Космический век: история астрофизики и космологии , Кембридж: издательство Кембриджского университета, ISBN 978-0-521-47436-8
- Астрофизика , Наука Экспертные статьи
Внешние ссылки [ править ]
- Астрономия и астрофизика , Европейский журнал
- Астрофизический журнал
- Космическое путешествие: история научной космологии. Архивировано 21 октября 2008 г. в Wayback Machine Американского института физики.
- Международный журнал современной физики D от World Scientific
- Список и каталог рецензируемых журналов по астрономии / астрофизике
- Учебник по космологии Неда Райта, Калифорнийский университет в Лос-Анджелесе
